Sekundärrohstoffe / Lithiumionen-Batterie Recycling

Die automatisierte Materialcharakterisierung ist eine der modernsten und umfassendsten Charakterisierungsmethoden zum Verständnis von Recyclingprozessen. Denn im Vergleich zu einfachen chemischen Assays (z. B. RFA, ICP-OES) oder quantitativer Röntgenbeugung, liefern MLA- oder QEMSCAN-Analysen zusätzliche prozessrelevante Informationen. Dazu gehören Informationen über die modale Phasenzusammensetzung, Freisetzung, Phasenassoziation, elementare Verteilung sowie physikalische Materialeigenschaften wie Partikelform, -größe und -dichte.

Aufgrund ihrer hohen Energiedichte wurden Lithium-Ionen-Batterien (LIB) seit ihrer Kommerzialisierung in den 1990er Jahren schnell zur dominierenden elektrochemischen Energiequelle für tragbare Elektronik. Viele Geräte, darunter Unterhaltungselektronik wie Mobiltelefone und Laptops, aber auch Hybrid- und Elektrofahrzeuge sowie stationäre Speicheranwendungen, verwenden diese Batterien. Angesichts der Tatsache, dass LIBs seit 30 Jahren im Einsatz sind und ihr Produktionsvolumen weiter ansteigt, kann in absehbarer Zeit ein beträchtliches Wachstum von gebrauchten LIBs prognostiziert werden.

Das Recycling von LIBs, insbesondere die gemeinsame Rückgewinnung mehrerer wertvoller Komponenten, bleibt vor allem wegen ihrer komplexen Zusammensetzung und Struktur eine Herausforderung. Zum Beispiel erschwert das Vorhandensein von Bindemitteln die Trennung aktiver Partikel von den Folien und verringert den Erfolg des Recyclingprozesses. Ein längerer Zerkleinerungsprozess kann erforderlich sein, um mehr aktive Partikel freizusetzen, könnte aber auch zu unerwünschten Aluminium- und Kupferfolienpartikeln in der Feinfraktion führen. Eine sehr variable chemische Zusammensetzung der Kathoden stellt eine weitere Herausforderung dar, da unterschiedliche Batteriechemien spezifische Bedingungen für einen effizienten Recyclingprozess erfordern können. Verunreinigungen, wie Folien sowie unterschiedliche Kathodenzusammensetzungen können in nachfolgenden Recyclingschritten, wie beispielsweise hydrometallurgischen Prozessen, problematisch sein. Daher ist es für die Überwachung und Verbesserung der Effizienz von Recyclingprozessen essenziell die modale Zusammensetzung, die Elementverteilung verschiedener Zielelemente sowie wesentliche Parameter, wie die Freisetzung der Folien und Kathodenmaterialien und des Graphits zu kennen.

 

Referenzen

Vanderbruggen, A., Gugala, E., Blannin, R., Bachmann, K., Serna-Guerrero, R., Rudolph, M., 2021. Automated mineralogy as a novel approach for the compositional and textural characterization of spent lithium-ion batteries. Miner. Eng. 169, 106924. doi.org/10.1016/j.mineng.2021.106924

Vanderbruggen, A., Sygusch, J., Rudolph, M., Serna-Guerrero, R., 2021. A contribution to understanding the flotation behavior of lithium metal oxides and spheroidized graphite for lithium-ion battery recycling. Colloids Surfaces A Physicochem. Eng. Asp. 626, 127111. doi.org/10.1016/j.colsurfa.2021.127111

 

Beispiele für die Vielfalt der Kathodenchemie (LCO, LMO und NMC) und sphäroidisierte Graphitpartikel aus verbrauchter Schwarzmasse (© Anna Vanderbruggen)
Verwachsene Kathodenelektrode aus einer verbrauchten Lithium-Ionen-Batterie (© Anna Vanderbruggen)
Von Bindemittel umhülltes Kathoden-Aktivmaterial (© Anna Vanderbruggen)